インターネットトラフィックが年々大幅に増大する中， 伝送特性に大きな影響を与える伝送用ファイバーにも革新 が求められてきている．ファイバー断面内に複数のコアを 有するマルチコアファイバーは，空間多重伝送によるさら なる超大容量伝送を実現する新たな光ファイバーとして注 目を集めている．構造としては，従来のソリッド型ファイ バーだけでなく，空孔構造（ホーリーファイバー / フォト ニック結晶ファイバー）型も提案されている1，2）．マルチ コアファイバーの設計では，分散，有効コア断面積（Aeff）， 曲げ損失，カットオフ波長（lc）等の従来の要素に加え， コア間の干渉（クロストーク）を考慮しなければならな い．本稿ではまず，ソリッド型とホーリー型のマルチコア ファイバーを，Aeff拡大とコア密度拡大の観点から比較す る3）．その後，両者に関する最近の研究結果を報告する． 1. ソリッド型とホーリー型のマルチコアファイバー の特性比較 マルチコアファイバーの特性としては，曲げ損失や一定 lc での Aeff 拡大，単位面積のコア数（空間多重度）など が考えられる（Aeffを拡大すると，コアのパワー密度が低 減され，結果として非線形現象による波形歪みを抑制する ことが可能となる）．これらについて，100 km 伝送後のク ロストークが− 30 dB となる計算値を図 1 に示す3）．同じ lc では，ホーリー型のほうが大 Aeffと小コアピッチ（すな わち高密度なコア配置）を実現できることがわかる．一 方，ソリッド型は，VAD や MCVD 法などの成熟した従来 製法が適用可能というメリットがある．さらに，ソリッド 型では，lc によらずコアピッチが一定という特性が得ら れている．そこで，ソリッド型マルチコアファイバーに関 して，Aeffと曲げ損失およびクロストークを 100 km で− 30 dB の一定値に保つのに必要なコアピッチの関係を詳細 に計算した．その結果，曲げ損失の値を一定とすれば， Aeffを拡大してもコアピッチはほぼ一定というユニークな 特性を有していることがわかった． 2. ソリッド型マルチコアファイバーの研究開発 続いて，ソリッド型マルチコアファイバーの最近の研究 動向を述べる． 2. 1 SMF型ソリッドファイバーの開発 SMF は，80 mm2程度の A effを有するコアを直径 125 mm の光ファイバー断面中に 1 つ配置した，現在最も広く用い られている光ファイバーである．この SMF 型のコアを 1 つ 287（31） 40 巻 6 号（2011）
最近の技術から
エクサビット伝送に向けた光ファイバー技術
空間多重用マルチコア光ファイバーの開発
武笠 和則・今村 勝徳・杉崎 隆一
Developments of Multi-Core Fibers for Space Division Multiplexing Transmission
Kazunori MUKASA, Katsunori IMAMURA and Ryuichi SUGIZAKI
Multi-core fibers are transmission fibers, which have a large potential to become a breakthrough for next-generation high-capacity transmissions. Two types of multi-core fibers, namely holey multi-core fibers and solid multi-core fibers, have been proposed. We compared the performances of them, and found out the holey types have better performances in terms of low non-linearity and higher density space division multiplexing （SDM）. Solid multi-core fibers, on the other hand, have an advantage for the aspect of matured fabrication technologies. In addition, solid types have an interesting property worth to note: A cross-talk is not degraded by enlarging e›ective core area （Aeff）, if we keep macro-bending losses
constant. We will introduce recent R&D results on multi-core fibers, including SMF type and other types of solid multi-core fibers, and holey multi-core fibers for ultra wide-band transmissions.
Key words: multi-core fibers, space division multiplexing, holey fibers, solid fibers
のファイバー断面中に 7 つ配置しようとするとファイバー 径が大きくなってしまうが，わずかに実効屈折率の異なる コアを隣同士に配置するとクロストークが劇的に抑制でき ることが報告されており1），実際に試作も行われている4）． 異種コアを用いることで高密度なコア配置が可能となる が，実際のファイバー開発では，伝送損失やマイクロ曲げ 損失などの特性を考慮に入れる必要がある．われわれは， これらの特性を考慮した SMF 型 7 コアファイバーの最小 ファイバー径に関して検討を行っている4）．さらに，実用 においては，プロファイルの長手変動やケーブルでの曲げ / ひねりなども加えられるため，これらも考慮に入れて最 適化設計を行うべきとの報告もあり5），最小コアピッチや 最小ファイバー径の設定には，さらなる研究が必要と思わ れる． 2. 2 その他のソリッド型マルチコアファイバー マルチコアファイバーとしては，ファイバー径が 125 mm より大きくなることを前提に信頼性の議論等が進めら れているが4），125 mm 径で実現できれば，現状のシステ ムへの適用が容易であることは間違いない．そこで，Aeff は通常 SMF より小さくなってしまうものの，ファイバー 径 125 mm の 7 コアファイバーが提案されている6）．一方， われわれは，SMF 型より Aeffを拡大したマルチコアファイ バーの開発を行っている3，7）．シミュレーションの結果を もとに， lc をシフトさせることで，曲げ損失を一定のま ま Aeffを拡大し，かつコア径の異なる 3 種類の異種コア （A, B, C）を用いることで，クロストークの増大を抑え た1）．さらに，A eff拡大に伴うマイクロ曲げ損失の増大を 抑えるため，外側コアに対するクラッド厚を従来の SMF と同程度とした．図 2 の計算結果をもとにコアピッチを 46 mm とし，実際に試作を行った（図 3，表 1）．信頼性の 議論は必要だが，クラッド厚の最適化により，マイクロベ ンドの影響が低減され，比較的低損失な特性が得られてい る．また，3.5 km 伝搬後のクロストーク特性は−38 dB で あり（図 4），100 km 伝送後では約−33 dB と予測される． これは長距離伝送が十分可能なクロストーク特性である． 3. マルチコアホーリーファイバーの開発 マルチコアホーリーファイバーに関しても開発が進んで いる2）．7 コアホーリーファイバーの構造を図 5 に示す．わ れわれはこの構造をもとに，超広帯域用マルチコアファイ 288（32） 光 学 表 1 マルチコアファイバーの光学特性（1550 nm）． 各コアの特性 C B A Core No. 0.237 0.237 0.213 dB/km 損失 19.0 19.4 19.6 ps/nm/km 分散 0.061 0.062 0.062 ps/nm2/km 分散 Slope 99 107 110 mm2 Aeff 1408 1470 1491 nm l c 8.1 3.9 3.0 dB/m 曲げ損失＊ ＊曲げ損失は直径 20 mm での値． 図 4 クロストークの測定結果． 図 1 ソリッド型とホーリー型のマルチコア ファイバー特性比較． 図 2 マルチコアファイバーのシミュレーション 特性． 図 3 マルチコアファイバーの試作断面図．
バーの開発を行った．まずコア間干渉を見積もるため， モード結合理論により，結合長（コア内のパワーが隣のコ アに 100％移る条長）を計算した．そして，空孔径（d）と 空孔間隔（L）の比（d/L）を endlessly single mode（ESM） 特性が得られる 0.43 に固定し，伝搬距離は結合長の 1/100 としてプロットした（図 6）．これより，コア間隔（コア間 の空孔層数）を 9 層以上にすることで，伝送距離が 100 km 以上となることがわかった．また，外側コアの閉じ込め損 失を 0.01 dB/km 以下にするために，外側コアの外層に 5 層の空孔層を設け，それぞれのコアが 500 nm∼1700 nm にわたる伝送を実現できるよう，各コアの曲げ損失等を最 適化した．設計結果を検証するために，マルチコアホー リーファイバーの試作を行った．所望の構造が作製でき （図 7），中心コア（コア A）と外側コアの 1 つ（コア B）の 光学特性は，計算結果と一致した結果が得られている（表 2）．設計どおりに，コア A，B ともに閉じ込め損失の影響 はなく，曲げ損失も 500 nm まで低い値であった（図 8）． ESM 特性と広帯域低曲げ損失特性により，超広帯域伝送 が可能と考えられる．サンプル 1 km でのクロストークは −60 dB 以下であり，100 km では−35 dB 以下が期待でき る．この特性は計算と一致しており，十分に低い値である． 文 献
1） M. Koshiba, K. Saitoh and Y. Kokubun: “Heterogeneous multi-core fibers: Proposal and design principle,” IEICE Electron. Exp., 6, No.2 （2009） 98―103.
2） K. Imamura, K. Mukasa, Y. Mimura and T. Yagi: “Multi-core holey fibers for the long-distance （＞100km） ultra large capacity transmission,” The Optical Fiber Communion Conference and Exposition, OTuC3 （San Diego, 2009）.
3） K. Imamura, K. Mukasa and T. Yagi: “Investigation on multi-core fibers with large Ae› and low micro bending loss,” The Optical Fiber Communion Conference and Exposition, OWK6 （San Diego, 2010）.
4） K. Imamura, K. Mukasa and T. Yagi: “E›ective space division multiplexing by multi-core fibers,” ECOC 2010, P1.09 （Torino, 2010）.
5） M. Koshiba: “Recent progress in multi-core fibers for ultralarge-capacity transmission,” OECC 2010, 6B1-3 （Sapporo, 2010）. 6） K. Takenaga, S. Tanigawa, N. Guan, S. Matsuo, K. Saitoh, M.
Koshiba and K. Takenaga: “Reduction of crosstalk by quasi-homogeneous solid multi-core fiber,” The Optical Fiber Communion Conference and Exposition, OWK7 （San Diego, 2010）.
7） K. Imamura, K. Mukasa and T. Yagi: “Design optimization of large Aeff multi-core fibers,” OECC 2010, 7C2-2 （Sapporo,
2010）. （2011 年 1 月 11 日受理） 289（33） 40 巻 6 号（2011） 表 2 試作ファイバーの光学特性（1550 nm）． Aeff 分散スロープ 分散 コア mm2 ps/nm2/km ps/nm/km 35.5 0.071 40.0 計算結果 38.7 0.072 41.2 コア A 41.8 0.071 40.2 コア B 図 6 マルチコアホーリーファイバーのコア間隔と伝 送距離の関係． 図 8 コアごとのマクロベンド損失． 図 5 マルチコアホーリーファイバーの構造． 図 7 試作ファイバーの断面構造．
